第三章 金属与合金的结晶
第三章 合金的相结构和结晶
测定临界点的方法很多，如热分析法、金相 法、膨胀法、磁性法、电阻法、 射线结构分 析法等。除金相法和 射线结构分析法外，其 它方法都是利用合金的状态发生变化时，将 引起合金某些性质的突变来测定其临界点的。
热分析法测定二元合金相图的过程。
上临界点的连线——液相线；下临界点的连线——固相线
三 相律
2、固溶体合金的结晶需要一定的温 度范围
固溶体合金的结晶需要在一定的温度范围内进行， 在此温度范围内的每一温度下，只能结晶出一定数 量的固相。随着温度的降低，固相的数量增加，同 时固相和液相的成分分别沿着固相线和液相线而连 续地改变，直至固相的成分与原合金的成分相同时， 才结晶完毕。这就意味着，固溶体合金在结晶时， 始终进行着溶质和溶剂原子的扩散过程，其中不但 包括液相和固相内部原子的扩散，而且包括固相与 液相通过界面进行原子的互扩散，这就需要足够长 的时间，才得以保证平衡结晶过程的进行。
固溶体合金结晶的显著特点：
1、异分结晶
固溶体合金结晶时所结晶出的固相成 分与液相成分不同，这种结晶出的晶体 与母相化学成分不同的结晶称为异分结 晶，或称选择结晶。而纯金属结晶时， 所结晶的晶体与母相的化学成分完全一 样，所以称之为同分结晶。
既然固溶体的结晶属于异分结晶，那么在结 晶时的溶质原子必然要在液相和固相之间重 新分配，这种溶质原子的重新分配程度通常 用分配系数表示。平衡分配系数 定义为：在 一定温度下，固液两平衡相中溶质浓度之比 值
工程材料03(金属与合金的结晶)
金属材料的结晶
金属材料的冶炼、铸造和热处理等加工工艺都伴随有结晶过程，结晶过程会影响材料的使用性能和加工性能。研究金属材料的结晶过程可以帮助我们有效地掌握金属凝固和结晶的规律，从而获得性能优良的金属材料。
凝固——材料内部原子从不规则排列
状态（液态）过渡到规则排列
（固态）的过程。
结晶——材料内部原子从一种排列状
态到另一种排列状态转变过程。
如工业纯铁从高温到低温冷却时，
发生同素异构转变：
L 1538℃δ-Fe 1394℃
γ-Fe 912℃α-Fe
注：纯铁在770 ℃时发生磁性转变，
该温度称为居里点。
第一节纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线和过冷度
1. 纯金属的冷却曲线
纯金属的冷却曲线可使用热分析装置进行测定（《教材》P36）。
由纯金属的冷却曲线可以看出，当液态
金属冷却到某一温度时，在曲线上出现一个
平台，该平台对应的温度即为纯金属的熔点
（结晶温度）。此现象说明金属在结晶过程
中，释放出了大量的结晶潜热。
2. 过冷度
过冷度⊿T = 理论结晶温度T0—实际结晶温度T n （过冷度⊿T﹥0——结晶的必要条件）
（自由能⊿F﹤0 ——结晶的充分条件）
实践表明，金属总是在一定的过冷条件
下结晶的，过冷是结晶的必要条件。对同一
金属，结晶时的过冷度越大，则冷却速度越
快，金属的实际结晶温度越低。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶包括两个基本过程：形成晶核和晶粒长大。
（1）晶核的形成
自发形核：过冷条件下，液态金属内自行产生晶核
非自发形核：在液态金属中，外加细小的高熔点物质（2）晶核的长大
晶粒呈平面状长大（纯金属，且过冷度很小）
金属与合金的结晶
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
29
纯铁的冷却曲线
T
1538 1394 912
770
铁磁性
}-Fe，bcc
}-Fe，fcc
}
-Fe，bcc
Cooling curve
t
30
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
4.
细化铸态金属晶粒的措施
晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级（p111)。
晶粒度
单位面积晶粒数 （个/mm2） 晶粒平均直径 （μm）
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
11
一、纯金属结晶的基本条件
图3－3冷却曲线的测定
工程材料
第3章 金属与合金的结晶
12
一、纯金属结晶的基本条件
图3－4 冷却曲线
工程材料 第3章 金属与合金的结晶 13
一、纯金属结晶的基本条件
工程材料
图3－5 结晶过程
第3章 金属与合金的结晶
14
一、纯金属结晶的基本条件
通常把组成合金的最简单、最基本，能够独立 存在的物质称为组元。但在所研究的范围内既不分解 也不发生任何化学反应的稳定化合物也可称为组元， 如Fe3C看作一组元。
2． 合金系
由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一 系列不同成分的合金，称为合金系。
工程材料第三章金属与合金的结晶
四、合金性能与相图间的关系
1、两相混合物合金。 共晶相图中，结晶后形成两相组织的合金称为两相混合物合金。 a)合金使用性能与相图的关系 b)合金的铸造性能与相图的关系
性能处于两相 之间，并与两 相的细密度有 关，强度硬度 对组织敏感， 在共晶体区出 现峰值
共晶附近熔点 低，流动性好， 集中缩孔，铸 件致密性好
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
结晶过程
性能发生突变
非晶体凝固过程 逐渐变化
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象 恒温结晶，热分析法测定
a：平衡条件下结晶 T0:理论结晶温度
b：实际生产中结晶 Tn:实际结晶温度 过冷度△T＝ T0－ Tn
冷却曲线：测定液体金属冷却 时温度和时间的变 化关系作出的曲线
a）
b）
纯金属的冷却曲线
总原则：
形核率N大，长大速率G慢，晶粒总数目多，晶粒细小
控制晶粒尺寸的方法
1. 控制过冷度
过冷度增大
N／G值增 加
晶粒细小
降低浇铸温度 增大冷却速度
增加过冷度
因此小型和薄壁铸件比 大型铸件组织细
晶粒度-N,G-过冷度关系曲线
2. 变质处理
在液态金属中加入能 成为外生核的物质
（孕育处提理高）形
核率
补充：共析相图 共析转变：在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外
第三章 金属的结晶与二元合金相图
结晶——是指晶体材料的凝固,或者说是 结晶 原子由不规则排列状态(液态)过渡到规 则排列状态(固态)的过程. 相图——是表示在平衡状态下合金的化学 相图 成分,相,组织与温度的关系图.
铸态组织(P26) 铸态组织
铸态组织: 铸态组织:是指结晶之后得到的金属材料的显 微组织.是指其晶粒的形态,大小,取向及缺 陷(疏松,夹杂,气孔等)和界面的形貌等. 铸态的显微组织决定着铸态材料的使用性能和 加工工艺性能.掌握结晶规律可以帮助我们有 效地控制金属的凝固条件,从而获得性能优良 的金属材料.
金属铸锭典型的铸态组织 (P30)
如图3—5c所示是典型的铸锭晶粒形态 示意图: 表层细晶区 细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区 等轴晶区
第二节
合金结晶与二元合金相图 (P31)
相图——是表示在平衡状态下 平衡状态下合金的化 相图 平衡状态下 学成分,相,组织与温度的关系图.(平 衡状态图)
☆平衡状态下——极缓慢的冷却速度下
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
☆纯金属通常在恒温下结晶; ☆多数合金通常在一个温度区间内结晶.
第3章金属与合金的结晶.
ΔT
F固
F液
温度 T
只有当液体的过冷度△T达到一定的大小，使结晶的动力ΔF 大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。
纯金属的结晶过程
• 形核： 液态金属中，总是存在着许多类似于晶体中原子有规则 排列的小集团。在理论结晶温度以上，这些小集团是不稳 定的，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，这 些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。 • 晶体长大： 液态金属中，原子不断迁移到晶核表面，使液-固界面不 断向液体中推移的过程，就是晶体长大。 • 原晶核长大、新晶核产生并长大： 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时，液态 金属中又不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属 全部消失，晶体彼此相互接触为止。
T0理论结晶温度 Tn开始结晶温度
金属总是在一定的过冷度下结晶的， 过冷是结晶的必要条件。
同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大， 金属的实际结晶温度越低。
不断形成晶核
二、纯金属的结晶过程
晶核不断长大
纯金属结晶的条件 结晶驱动力 ΔF= F固－ F液≤0
自由能 F
ΔF
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自然界的自发结晶过程进行的 热力学条件都是ΔF≤0
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
金属学--第3章：金属及合金的凝固与组织
第三章：金属及合金的凝固与组织
1．凝固与结晶：金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固，凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶。
2．同分结晶：结晶出的晶体和母液的化学成分完全一样，或者说在结晶过程中只发生结构改组而无化学成分的变化。
3．异分结晶：结晶出的晶体和母液的化学成分不一样，或者说在结晶过程中，成分和结构同时都发生变化，也称选分结晶。
4．匀晶结晶：结晶过程中只产生一种晶粒，结晶后的组织有单一的均匀晶粒所组成，即得到单相组织。5．非匀晶结晶：结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上的成分和结构都不相同的晶粒。
6．凝固过程的宏观特征：液体必须具有一定的过冷度（实际凝固温度与其熔点的差值），凝固才能自发进行，凝固只能在过冷液体中进行；凝固过程中伴随着潜热的释放，这种潜热称为结晶潜热。
7．晶核的自发形成——均匀形核
8．非均匀形核：当晶核不是完全在液体自身内部产生，而是借助外来物质的帮助，依附于已存在与液相中的固态现成界面上，或容器表面上优先产生时，称非均匀形核。实际的结晶能够在很小的过冷度下进行，就是由于非均匀形核的结果，悬浮在液体中的杂志粒子，液体表面的氧化膜及铸型模壁等大都可以促进晶核的提前形成，这是由于非均匀形核比均匀形核的界面能较低，即相变阻力减少了，因而晶核所要求的临界尺寸以及所需要的形核功也小了。
9．晶体的成长。
条件：要求液相能继续不断的向晶体扩散供应原子，要求晶体表面能不断牢靠的接纳原子
机理：连续成长——适用于粗糙型界面；借台阶侧向扩展成长——适用于有台阶的平滑界面；二维晶核式的成长——当晶体界面既无台阶也无缺陷，而成理想界面时，液相单个原子很难稳定在那里，在这种情况下，依靠系统能量涨落，使一定数量的液相原子差不多同时落在平滑界面上的临近位置，而形成一个具有单原子厚度并有一定宽度的平面原子集团。该集团必须超过结晶条件的临界值才能稳定
第三章金属的晶体结构与结晶
图3-9 纯金属冷却曲线
3.金属结晶过程：结晶过程是晶核形成和晶核长大的过程。 如图3-10结晶过程中晶核数目越多，晶粒越细小；反之，晶粒 越粗大 晶核：当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸较大的原 子集团开始变得稳定，而成为结晶核心。
图3-10 金属结晶过程示意
金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大 结论：同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬 度也越高，塑性、韧性也越好。 晶核越多，晶粒越细。 4.细化铸态金属晶粒的主要途径： 1)加快冷却速度--以增加晶核； 2)变质处理--以增加外来晶核 3)还可用热处理，振动或压力加工的方法细化固态 金属的晶粒。
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
单晶体：晶体内的晶格位向完全一致的晶体。自然界存在的 单晶体有水晶、金刚石等。采用特殊方法也可获得单晶体，如 单晶硅、单晶锗等。 多晶体：实际的金属晶体是由许多不同位向的晶粒组成,这 种由许多晶粒组成的晶体。 晶粒：多晶体内部以晶界分开而位向相同的晶体。 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。 单晶体体现各项同性，多晶体体现各项异性
第三章二元合金相图和二元合金的结晶
第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶
第三章⼆元合⾦相图和⼆元合⾦的结晶
§1 概述
⼀、合⾦系
由⼀定数量的组元配制成的不同成分的⼀系列合⾦组成的系统，称合⾦系。两个组元的称⼆元合⾦系，三个组元的称三元合⾦系。例如,Cu-Ni是⼆元合⾦系，⽽Pt-Pd-Rh是三元合⾦系。
⼆、什么是合⾦相图
合⾦相图是表⽰平衡状态下合⾦系的合⾦状态和温度、成分之间关系的图解。该定义中，“平衡状态”是指⼀定条件下，合⾦⾃由能最低的稳定状态；⽽“合⾦状态”是指合⾦由哪些相组成，各相的成分及其相对含量是多少。
三、合⾦相图的作⽤
利⽤合⾦相图可以了解各种成分的合⾦，在⼀定温度的平衡条件下，存在哪些相、各相的成分及其相对含量。但它不能指出相的形状、⼤⼩和分布状况，即不能指出合⾦的组织状况。尽管如此，如果能把相图和相变机理、相变动⼒学结合起来，那么相图便可成为分析组织形成和变化的有利⼯具，成为⾦属材料⽣产、科研的重要参考资料，因此，相图是⾦属学的重要内容之⼀。
§2⼆元合⾦相图的建⽴
⼀. ⼆元合⾦相图的表⽰⽅法
1.⽤平⾯坐标系表⽰⼆元合⾦系
物质的状态通常由成分、温度和压⼒三个因素确定。由于合⾦的熔炼、结晶都是在常压下进⾏的，所以，合⾦的状态可由成分和温度两个因素确定。对于⼆元合⾦系来说，⼀个组元的浓度⼀旦确定，另⼀个组元的浓度也随之⽽定，因此成分变量只有⼀个，另⼀个变量是温度，所以⽤平⾯坐标系就可以表⽰⼆元合⾦系。通常⽤纵坐标代表温度，横坐标代表成分。成分多⽤重量百分⽐来表⽰。（如图3.1所⽰），横坐标的两个端点A、B代表组成合⾦的两个组元。
金属和合金凝固简明教程
第三章 金属和合金的结晶
通常我们把液态金属转变为固态金属的相变过程称为结晶。为了更好地研
究结晶的规律，我们首先研究纯金属的结晶。
第一节 纯金属的结晶过程
一、金属结晶的现象
如果我们把熔融的金属液体 防入一个散热缓慢的容器中，让
金属液体以极其缓慢的速度进行 冷却，同时记录其温度—时间变 化曲线即冷却曲线。通过对冷却 曲线的分析，我们可以了解以下
一些现象。 1、结晶过程伴随着潜热的释放
从冷却曲线上可以见到一个结晶温度平台，这说明在该时间段内，金属内部有热量释放弥补了热量的散失，我们把这个热量称为结晶潜热。冷却曲线上结晶平台的温度称为实际结晶温度T 0。
2、结晶时液体必须具有一定的过冷度 在结晶发生时，实际结晶温度并不是金属的熔点。如果我们把金属的熔点称为理论结晶温度的话，那么实际结晶温度要低于理论结晶温度。这两者之差称之为过冷度∆T，∆T 随着冷却条件和液体杂质的含量不同，可以在很大的范围内变化。但是对于一定的金属液体来说，∆T 存在着一个最小值称为 亚稳极限∆T *。如果过冷度小于
这个值，结晶几乎不能进行或以
难于察觉的速度进行，液体可以
长期保持在亚稳状态；大于这个
值，液体才能以可观的速度进行 着结晶。这个极限值与液体的纯
洁程度有着很大的关系，最高可 达熔点的0.2左右，即∆T *=0.2T m 。
金属结晶时，是一个系统能
量降低的过程。在理论结晶温度时，液态金属的自由能与固态金属的自由能相等，所以结晶不能进行。只有当温度低于熔点时，固态自由能低于液态的自由能，结晶才能进行。液态金属与固态金属的自由能之差，就是促使这个转变进行的驱动力。
第三章 金属的结晶
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第一节 纯金属的结晶
形成明显的脆弱界面，在锻造、 形成明显的脆弱界面，在锻造、轧制时易沿这些脆弱面形成裂纹 或开裂。生产上，对于不希望得到柱状晶的金属， 或开裂。生产上，对于不希望得到柱状晶的金属，通常采用振动 浇注或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。 浇注或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。但柱状晶区的性能 有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高， 有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高，对于那些主要受单 向载荷的机械零件，例如汽轮机叶片，柱状晶是比较理想的， 向载荷的机械零件，例如汽轮机叶片，柱状晶是比较理想的，一 般采用提高浇注温度、加快冷却速度等措施， 般采用提高浇注温度、加快冷却速度等措施，都有利于柱状晶的 发展。 发展。 中心等轴晶区。随着柱状晶区的发展， （３）中心等轴晶区。随着柱状晶区的发展，剩余液体金属的冷却速 度很快降低，温差也越来越小，散热方向变得不明显， 度很快降低，温差也越来越小，散热方向变得不明显，处于均匀 冷却状态。此外，由于液体金属的流动， 冷却状态。此外，由于液体金属的流动，将一些未熔杂质质点推 向铸锭中心，或者柱晶上的小分枝被冲断而漂移到铸锭中心， 向铸锭中心，或者柱晶上的小分枝被冲断而漂移到铸锭中心，它 们都能成为剩余液体金属结晶晶核， 们都能成为剩余液体金属结晶晶核，这些晶核由于在不同方向上 的生长速度大致相同而最终长成等轴晶粒。 的生长速度大致相同而最终长成等轴晶粒。
机械制造基础第三章 金属与合金的结晶习题解答
第三章金属与合金的结晶
习题解答
3-1 解释下列名词
结晶过冷现象过冷度变质处理晶核同素异构转变枝晶偏析共晶转变
答：结晶——是液态金属凝固为固态的过程。
过冷现象——是指实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。
过冷度——理论结晶温度与实际结晶温度的差值。
变质处理——在液态金属结晶前加入变质剂，以增加可形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法。
晶核——最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核。
同素异构转变——金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化过程。
枝晶偏析——在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，叫枝晶偏析。
共晶转变——一定成分的液相同时结晶出两种不同固相的转变过程。
3-2 晶粒大小对金属的力学性能有何影响? 生产中有哪些细化晶粒的方法?
答：在常温下，细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。
生产中细化晶粒的方法有：增加过冷度、变质处理、附加振动和降低浇注速度。
3-3 如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：
(1) 金属型铸造与砂型铸造；
(2) 高温浇注与低温浇注；
(3) 浇注时采用振动与不采用振动；
(4) 厚大铸件的表面部分与中心部分。
答：（1）金属型铸造晶粒较细小；（2）高温浇注晶粒较细小；（3）浇注时采用振动晶粒较细小；（4）厚大铸件表面晶粒较细小。
3-4 试分析比较纯金属、共晶体、固溶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。
答：
3-5 金属的同素异构转变与液态金属结晶有何异同之处?
答：金属同素异构转变和结晶过程都有固定的温度、有结晶潜热释放、都有形核、长大过程；但同素异构转变是固相间的转变而结晶是由液相向固相转变；同素异构转变过冷度更大，会产生更大的内应
第三章金属的结晶
纯金属的冷却曲线
曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。
2、过冷与过冷度
纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶 温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
结晶只有在T0以下的实际 结晶温度下才能进行。
雾 凇
液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的 现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温
的等轴晶粒区。
2、 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，
使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上
模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的
方向生长而形成柱状晶区。
3、中心粗等轴晶区：结晶潜热的不断放出，散热速 度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全
部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非
为偏析。铸锭(件)在结晶时，由于各部位结晶先后
顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶 区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适 当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。
3、气孔：气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生 成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡。 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气孔 需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。
度的差T称过冷度。
T= T0 –T1
过冷度大小与冷却速
第三章 金属与合金的结晶
如，往铝液中加钛、硼；
1234、对导中方、、、于致、法增变附降大铸小来加铸件型细质加低过锭产铸化处振浇、生件晶冷理动注大裂，粒度铸纹对。速件而于度，报大过废型高。铸金 超 中 起 化的因件慢 晶 粒 核冷此则属 声 的 晶 晶都却，需速 发 可，结 波 枝 核 粒能速只要浇 生 能从往往使晶 振 晶 作 的度适用钢铸晶而注 在 被时 动 破 用 目往用其水铁粒增时 流 后， 、 碎 ， 的往于它中水细， 动 到加对 电 ， 增 。加中化液 液 达了金 磁 而 加入加，态 体 的形属 振 破 了钛入从金 的 液核液 动 碎 形、硅而率属 前 体附 等 的 核锆铁提。不沿冲加措枝率、、高是，碎铝硅机施晶N金静先在等钙，属械，尖；合的止形为达振使端金力的成新到动生又，学，的的细、长可性结晶晶能。机 械 制 造
⑤
20
（3）在温度-成分坐标系中过各合 金成分点做成分垂线，将临界
⑥
0
点标在成分垂线上；
40
60
80
100
机
械
（4） 将成分垂线上相同意义的点
制
连接起来，并标上相应的数字 和字母，便得到Cu-Ni合金相图
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.2 合金的结晶
二、二元合金的结晶过程
二元合金相图的基本类型：
械 制
2、以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。
材料成形工艺原理_第三章液态金属的结晶过程和结晶组织
研究生核过程的目的是为了控制生核。铸 造生产中最常见的一种控制生核的方法是在液 态金属中加入生核剂以促进非均质生核的，从 而达到细化晶粒，改善性能的效果。
二、生核过程
生核方式有两种：
均质生核(homogeneous nucleation)和非均质生核 (heterogeneous nucleation)。
均质生核：在没有任何外来界面的均匀熔体中的
生核过程。
非均质生核：在不均匀熔体中依靠外来杂质或型
壁界面提供的衬底进行生核的过程。
1、均质生核机制
根据经典的相变动力学理论，金属液相原子在凝固驱动力 ΔGm作用下，从高自由能GL的液态结构变为低自由能GS的 固态晶体结构过程中，必须越过一个势垒ΔGd，才能使凝 固过程得以实现（如图3-2所示）。而克服势垒的能量是 金属原子通过金属内部温度起伏，即能量起伏来实现的。
r※ 2σ
ຫໍສະໝຸດ BaiduGV
＊
因为 式中 L——熔化潜热(latent heat of melting)
Tm——平衡结晶温度； ΔT——过冷度； 所以临界生核半径
则临界生核功(critical work of nucleation)：
因此均质生核机制必须具备以下条件：
· 1) 过冷液体中存在相起伏，以提供固相晶核的晶胚。 · 生核导致体积自由能降低，界面自由能提高。为此， 2) 晶胚需要体积达到一定尺寸才能稳定存在。 · 3) 过冷液体中存在能量起伏和温度起伏，以提供临界 生核功。
第三章 金属与合金的结晶
动态过冷度
e － 结晶终了点
cde－结晶过程 ef － 结晶后的冷却过程
2015-1-4 材料科学与工程学院多媒体课件 4
第3章 金属与合金的结晶
§3.1 结晶的基本规律
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的过冷度 （克服界面能）
晶核形成时，体系总的自由能变化为ΔG′： ΔG′= -VΔGv+ΔGs (3-12) 式中V：晶核体积；ΔGV：单位体积的固液两相自由能之差； ΔGS：晶核形成时体系增加的总表面能。 ΔGs=σLα· S1+σαβ· S2 -σLβ· S2 (3-13)
式中S1、S2分别为晶核α与液相 L 及 B 之间的界面积 ；
第3章 金属与合金的结晶
第1篇
第3章
金属学基本原理
金属与合金的结晶
掌握结晶的基本规律，形核与晶核长大的过程； 理解在合金的结晶过程中，结构起伏（涨落）、能量
起伏（涨落）、浓度起伏（涨落）的重要作用；
熟悉平衡结晶与非平衡结晶的异同点，并能利用结晶基
本规律分析结晶后的组织的形成原因； 熟悉铸锭中常见的缺陷。
2015-1-4 材料科学与工程学院多媒体课件 20
第3章 金属与合金的结晶
1) 临界晶核半径和形核功
均匀形核时的主要阻力是晶核的表面能；而对非均匀形
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19.2
wt%Sn
析出过程中两相相间 形核、互相促进、共 同长大，因而共晶组 织较细，呈片、棒、 点球等形状。
共晶组织 形态
Pb-Sn共晶组织
层片状(Al-CuAl2定向凝固) 条棒状(Sb-MnSb横截面)
螺旋状（Zn-Mg）
共晶组织形态
针
树
状
枝
共
状
晶
共
晶
QL x1 + Q x2 =x
解方程组得
QL
x2 x x2 x1
Qα
x x1 x2 x1
式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2 (ob)、
x1x2 (ab)、 x1x(ao)的长度。
因此两相的相对 重量百分比为：
QL
xx2 x1 x2
ob ab
Q
x1 x x1 x2
ao ab
合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的 一系列不同成分的合金。
组元是指组成合金的最简
单、最基本、能够独立存
L
在的物质。
温度（℃）
多数情况下组元是指组成 合金的元素。但对于既不 发生分解、又不发生任何 反应的化合物也可看作组 元, 如Fe-C合金中的Fe3C。
Cu 成分（wt %Ni） Ni
液态金属中存在着原子排 列规则的小原子团，它们 时聚时散，称为晶坯。在 T0以下, 经一段时间后(即 孕育期), 一些大尺寸的晶 坯将会长大，称为晶核。
液体和晶体自由能随温度变化
ΔT
T1 T0
晶 核 半 径 与 关 系
ΔG
晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶 核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体 完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶 粒接触后形成晶界。
三种相, 是溶质Sn在
B
Pb中的固溶体， 是溶 质Pb在Sn中的固溶体。
② 相区：相图中有三个 单相区： L、、；三 个两相区： L+、L+、 + ；一个三相区：即 水平线CED。
③ 液固相线：液相线AEB，固相线ACEDB。A、B 分别为Pb、Sn的熔点。
④ 固溶线: 溶解度
A
点的连线称固溶线。
一、冷却曲线与过冷
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的
关系曲线称冷却曲线。曲 线上水平阶段所对应的温 度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的.
纯金属的冷却曲线
2、过冷与过冷度 纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶
温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
Cu-Ni合金相图
相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温 度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处 理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
杠杆定律只适用于两相区。
例（如图）
Q
0.53 0.45 100% 61.5% 0.58 0.45
QL
0.58 0.58
0.53 0.45
100%
38.5%
⑶ 枝晶偏析
合金的结晶只有在缓慢冷却 条件下才能得到成分均匀的 固溶体。但实际冷速较快， 结晶时固相中的原子来不及 扩散，使先结晶出的枝晶轴 含有较多的高熔点元素（如 Cu-Ni合金中的Ni）, 后结晶 的枝晶间含有较多的低熔点 元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。
除纯组元外，其它成分合金结晶过程相似，以Ⅰ合
金为例说明。
当液态金属自
L
高温冷却到 t1 温度时，开始
结晶出成分为
1的固溶体，
其Ni含量高于
合金平均成分
这种从液相中结晶出单一固相的转变称为匀晶转变 或匀晶反应。
随温度下降， 固溶体重量增 加，液相重量 减少。同时， 液相成分沿液 相线变化，固 相成分沿固相 线变化。
成分变化是通过原子扩散完成的。当合金冷却到t3 时，最后一滴L3成分的液体也转变为固溶体，此时 固溶体的成分又变 回到合金成分3上 来。
液固相线不仅是相 区分界线, 也是结晶 时两相的成分变化 线；匀晶转变是变 温转变。
⑵ 杠杆定律 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的
成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。
-Fe
-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部
位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。
固态相变的晶界形核
(Sn-0.5%Cu铸态，255K)
锡 疫
⑵由于固态下扩散困难， 因而过冷倾向大。
⑶固态转变伴随着体积变 化，易造成很大内应力。
第二节 合金的结晶
一、二元相图的建立 二、二元相图的基本类型与分析
2.2 金属的结晶
第一节 纯金属的结晶 第二节 合金的结晶 第三节 铁碳合金相图 第四节 凝固组织及其控制
物质由液态转变为固 态的过程称为凝固。
物质由液态转变为晶 态的过程称为结晶。
物质由一个相转变为 另一个相的过程称为 相变。因而结晶过程 是相变过程。
玻璃制品 水晶
第一节 纯金属的结晶
一. 冷却曲线与过冷度 二. 结晶的一般过程 三. 同素异构转变
直接从液相中结晶出的固相称一次相或初生相。
.2
温度降到3点以下， 固溶体被Sn过饱和，由于晶 格不稳，开始析出（相变过程也称析出）新相—
相。由已有固相析出的新固相称二次相或次生相。 形成二次相的过程称二次析出, 是固态相变的一种。
H
由 析出的二次 用Ⅱ 表示。 随温度下降， 和 相的成分分别沿CF线和DG线变
1、二元匀晶相图 2、二元共晶相图 3、二元包晶相图 4、形成稳定化合物的二元相图 5、具有共析反应的二元相图 6、二元相图的分析步骤 7、相图与合金性能之间的关系
合金的结晶过程比纯金属复杂，常用相图进行分析. 相图是用来表示合金系中各合金在缓冷条件下结晶
过程的简明图解。又称状态图或平衡图。
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡
成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
晶点以右的合
金称过共晶合
A
金。 凡具有共晶线
成分的合金液
L+
B
C
D
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
结晶只有在T0以下的实际
雾
结晶温度下才能进行。
凇
液态金属在理论结晶温 度以下开始结晶的现象 称过冷。
理论结晶温度与实际结 晶温度的差T称过冷度
T= T0 –T1 过冷度大小与冷却速度
有关，冷速越大，过冷 度越大。
二、结晶的一般过程
1、结晶的基本过程 结晶由晶核的形成和晶核
的长大两个基本过程组成.
相图中的CF、DG
B
线分别为 Sn在 Pb
中和 Pb在 Sn中的
固溶线。
固溶体的溶解度随 温度降低而下降。
⑤ 共晶线：水平线CED叫做共晶线。 在共晶线对应的温度下（183 ℃），E点成分的合金同
时结晶出C点成分的 固溶体和D点成分的 固溶体，
形成这两个相的机械混合物：
LE ⇄(C + D)
现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：
① 确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成
分垂线。在成分垂线相当
于温度t 的o点作水平线， t
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
1
2
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1
晶
三、同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异
构转变。同素异构转变属于 相变之一—固态相变。
纯铁的同素异构转变
1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次 晶体结构变化，其变化为：
1394℃
912℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方 结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
Q 100% Q 54.6%
共晶结束后，随温度下降， 和 的成分分别沿CF线
和DG线变化，并从共晶 中析出Ⅱ ，从共晶 中析 出Ⅱ ，由于共晶组织细， Ⅱ与共晶结合， Ⅱ与共 晶 结合，共晶合金的室温组织仍为 ( + ) 共晶体。
室温下两相的相对重量百分比是多少？
E' G
FE'
Q
FG
以Cu-Ni合金为例 进行分析。
Cu-Ni合金相图
相图由两条线构成，上 面是液相线，下面是固 相线。
相图被两条线分为三个 相区，液相线以上为液 相区L ，固相线以下为 固溶体区，两条线之 间为两相共存的两相区 （L+ ）。
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
⑴ 合金的结晶过程
2、晶核的形成方式 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
3、晶核的长大方式 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。
均匀长大
化， Ⅱ的重量增加。
室温下Ⅱ的相对重量百分比为：QⅡ
F 4 100% FG
由于二次
相析出温
度较低，
一般十分
细小。
Q
QⅡ
Ⅰ合金室温组织
为 + Ⅱ 。
A C
F
B 成分大于 D点合金结晶
E
D
过程与Ⅰ合金相似，室
温组织为 + Ⅱ 。
G
② 共晶合金(Ⅱ合金)的结晶过程 液态合金冷却到E 点时同时被Pb和Sn饱和, 发生共
在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的 现象称作枝晶偏析。
不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。 冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。 枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。 生产上常将铸件加热到固相线
以下100-200℃长时间保温， 以使原子充分扩散、成分均匀， 消除枝晶偏析，这种热处理工 艺称作扩散退火。
两相的重量比为：
QL Q
xx2 ( x1 x
ob ao
)
或QL x1 x
Q
xx2
上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆 定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温 度下与各自相区距离较远的成分线段之比。
在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端 点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。
在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。
正温度梯度
实际金属结晶主要以树枝状长大.
这是由于存在负温度梯度，且晶核
棱角处的散热条件好，生长快，先
形成一次轴，一次轴又会产生二次
轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
A
在一定温度下，由一定成
B
分的液相同时结晶出两个
成分和结构都不相同的新
固相的转变称作共晶转变
或共晶反应。。
共晶反应的产物，即两 相的机械混合物称共晶 体或共晶组织。发生共 晶反应的温度称共晶温 度。代表共晶温度和共 晶成分的点称共晶点。
Pb原子 扩散
Sn原子 扩散
Pb-Sn共晶组织
共晶体长大示意图
,
Βιβλιοθήκη Baidu
Q
FG
Pb-Sn共晶合金组织
③ 亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程
合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成 分变化到C点，液相成分变化到E点, 此时两相的相对
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。
3. 将垂线上相同意 义的点连接起来， 并标上相应的数字 和字母。
相图中，结晶开始点 的连线叫液相线。结 晶终了点的连线叫固 相线。
Cu-Ni合金相图
二、二元相图的基本类型与分析
1、二元匀晶相图
两组元在液态和固 态下均无限互溶时 所构成的相图称二 元匀晶相图。
放
螺
射
旋
状
状
共
共
晶
晶
在共晶转变过程中，L、
、 三相共存, 三个相的
量在不断变化，但它们各 自成分是固定的。
共晶组织中的相称共晶相.
共晶转变结束时， 和
相的相对重量百分比为：
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
Q
ED 100% CD
97.5 61.9 100% 45.4% 97.5 19.2
Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
平衡组织
枝晶偏析组织
2、二元共晶相图
当两组元在液态 下完全互溶，在 固态下有限互溶, 并发生共晶反应 时所构成的相图 称作共晶相图。
以 Pb-Sn 相图为
例进行分析。
Pb
成分（wt%Sn）
Sn
Pb-Sn合金相图
⑴ 相图分析 ① 相：相图中有L、、 A